RU2476627C1 - Application method of coatings to titanium and its alloys using electrospark doping method in water solutions at increased pressures - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method involves microarc oxidation (MO) in electrolyte in a sealed vessel by creation of potential difference between the treated parts as an anode and the housing of sealed vessel as a cathode with initiation of anode plasma discharges; at the first stage, MO is carried out at overpressure in gas part of volume of the sealed vessel of more than 105 at. by gas introduction; at that, partial gas pressure is created considering their solubility in electrolyte, and at the second stage, cathode modifying agent in the form of rhutenium oxide powder with the fraction size in nanosized range of 20 to 40 nm is added to electrolyte; note that MO is carried out at pressure of 1-2 at.

EFFECT: increasing corrosion resistance, reducing electric resistance owing to increasing the porosity at the first stage and electrospark doping at the second stage so that uniform coating is provided.

6 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к электролитической обработки деталей из титана и его сплавов и может быть использован в авиационной, судостроительной, нефте- и газодобывающей, перерабатывающей промышленности, приборостроении и медицинской технике, в частности система (Ti-Ru)O₂ используется для опреснительных установок и в оффшорной технике.The invention relates to the electrolytic processing of parts made of titanium and its alloys and can be used in the aviation, shipbuilding, oil and gas, processing industries, instrumentation and medical technology, in particular, the system (Ti-Ru) O _{2 is} used for desalination plants and in offshore technique.

Известны следующие способы нанесения покрытий: шликерный способ, «холодное» газодинамическое напыление, детонационное напыление, ионноплазменное напыление и др. Общим недостатком данных методов является невозможность обработки изделий сложной формы, а также неравномерное, некачественное нанесение покрытия. Поэтому для обработки таких изделий используются электрохимические и, в частности, микроискровые способы получения покрытий.The following coating methods are known: slip method, cold gas-dynamic spraying, detonation spraying, ion-plasma spraying, etc. A common disadvantage of these methods is the inability to process products of complex shape, as well as uneven, poor-quality coating. Therefore, for the processing of such products, electrochemical and, in particular, micro spark methods for producing coatings are used.

Известен «Электролитический способ нанесения защитных и электроизоляционных покрытий» патент РФ №2367727, МКИ C25D 11/02, опубл. 20.09.2009 г. и «Titanium material with biological activity and preparation method there» патент CN №101310897, МКИ A61L 27/06, A61L 27/30, опубл. 20.02.2008 г.The well-known "Electrolytic method of applying protective and insulating coatings" RF patent No. 2367727, MKI C25D 11/02, publ. September 20, 2009 and the "Titanium material with biological activity and preparation method there" patent CN No. 101310897, MKI A61L 27/06, A61L 27/30, publ. 02/20/2008

К недостаткам указанных способов обработки поверхности металлов относятся низкая пористость полученных покрытий и низкое давление при обработке металлов под давлением в процессе спекания титанового порошка в вакууме и, как следствие, получение плохо развитой поверхности с высоким электросопротивлением, что принципиально важно для катализаторов, сорбентов и электродных систем.The disadvantages of these methods of surface treatment of metals include the low porosity of the obtained coatings and low pressure when processing metals under pressure during the sintering of titanium powder in vacuum and, as a result, obtaining a poorly developed surface with high electrical resistance, which is crucial for catalysts, sorbents and electrode systems .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту и взятым в качестве прототипа является «Method for vacuum - compression micro - plasma oxidation and device for carrying out said method» патент ЕР №2045366, МКИ C25D 11/02, опубл. 29.01.2007 г.The closest in technical essence and the achieved effect and taken as a prototype is "Method for vacuum - compression micro - plasma oxidation and device for carrying out said method" patent EP No. 2045366, MKI C25D 11/02, publ. 01/29/2007

В соответствии с прототипом отдельные части деталей погружают в раствор электролита, который наливают в герметично закрывающийся сосуд для создания микроплазменного разряда на поверхности изделия и соответственно для формирования покрытия, которое микроплазменный разряд образует при пониженном давлении выше раствора электролита. Устройство для проведения указанного способа имеет возможность формировать разряжение над электролитом с помощью герметичного сосуда и дополнительных средств для перекачки воздуха.In accordance with the prototype, individual parts of the parts are immersed in an electrolyte solution, which is poured into a sealed vessel to create a microplasma discharge on the surface of the product and, accordingly, to form a coating that the microplasma discharge forms under reduced pressure above the electrolyte solution. A device for carrying out this method has the ability to form a vacuum over the electrolyte using a sealed vessel and additional means for pumping air.

Недостатком данного способа является то, что формирование покрытия происходит под низким избыточным давлением 1-2 атм., когда качественно формируется покрытие, обладающее пониженной коррозионной стойкостью за счет низкой пористости.The disadvantage of this method is that the formation of the coating occurs under low overpressure of 1-2 atm., When a coating is formed qualitatively that has reduced corrosion resistance due to low porosity.

Техническим результатом изобретения является увеличения коррозионной стойкости в хлорсодержащих электролитах и снижение электросопротивления за счет увеличения пористости покрытия на первом этапе работы при избыточном давлении в автоклаве более 105 атм., а затем, на втором этапе работы, введение в электролит катодного модификатора (порошка окиси рутения) для заполнения образовавшихся пор.The technical result of the invention is to increase the corrosion resistance in chlorine-containing electrolytes and to reduce electrical resistance by increasing the porosity of the coating at the first stage of operation at an overpressure in the autoclave of more than 105 atm., And then, at the second stage of operation, introducing a cathode modifier (ruthenium oxide powder) into the electrolyte to fill the resulting pores.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что электролитическая обработка деталей из титана и его сплавов включает микродуговое оксидирование (МДО) в электролите в герметичном сосуде, например автоклаве, путем создания разности потенциалов между обрабатываемой деталью в качестве анода и корпусом герметичного сосуда в качестве катода с инициированием анодных плазменных разрядов, отличающийся тем, что МДО на первом этапе проводят при избыточном давлении в газовой части объема автоклава более 105 атм. путем введения газов, при этом парциальное давление газов создают с учетом их растворимости в электролите, а на втором этапе в электролит вводят катодный модификатор в виде порошка окиси рутения с размером фракции в наноразмерном диапазоне от 20 до 40 нм, при этом МДО ведется при давлении 1-2 атм.The technical result of the invention is achieved due to the fact that the electrolytic treatment of parts made of titanium and its alloys includes microarc oxidation (MAO) in an electrolyte in a sealed vessel, such as an autoclave, by creating a potential difference between the workpiece as an anode and the body of a sealed vessel as a cathode with the initiation of anode plasma discharges, characterized in that the MAO at the first stage is carried out at an excess pressure in the gas part of the autoclave volume of more than 105 atm. by introducing gases, while the partial pressure of the gases is created taking into account their solubility in the electrolyte, and at the second stage, the cathode modifier is introduced into the electrolyte in the form of a ruthenium oxide powder with a fraction size in the nanoscale range from 20 to 40 nm, while the MAO is carried out at a pressure of 1 -2 atm.

Способ обработки осуществляется следующим образом:The processing method is as follows:

- предварительно в автоклаве создается избыточное давление требуемой величины путем подсоединения к магистрали (баллону) с кислородом или нейтральными газами (аргон, гелий);- previously in the autoclave excess pressure of the required value is created by connecting to the line (cylinder) with oxygen or neutral gases (argon, helium);

- обрабатываемая деталь помещается на токопроводе в автоклав из титанового сплава, а автоклав снабжен монометром и запорным клапаном для контроля внутреннего давления;- the workpiece is placed on the current lead in an autoclave made of titanium alloy, and the autoclave is equipped with a monometer and a shut-off valve to control the internal pressure;

- электролитом служат водные растворы минеральных солей, рекомендованные для микродугового оксидирования титана и его сплавов в традиционных условиях (т.е. без избыточного давления);- the electrolyte is aqueous solutions of mineral salts recommended for microarc oxidation of titanium and its alloys under traditional conditions (i.e., without overpressure);

- при давлении более 105±1 атм. покрытие получают с увеличенной пористостью и толщиной, что и необходимо на первом этапе обработки. А при давлении менее 105±1 атм. покрытие получают с минимальным количеством пор и минимальной толщиной;- at a pressure of more than 105 ± 1 atm. the coating is obtained with increased porosity and thickness, which is necessary at the first stage of processing. And at a pressure of less than 105 ± 1 atm. the coating is obtained with a minimum number of pores and a minimum thickness;

- введение в электролит наноразмерных частиц окисленного порошка рутения размером 20-40 нм является оптимальным, так как поры после МДО, в которые и вводится окисленный порошок рутения, имеют размер 30-45 нм. Порошок рутения с размерами менее 20 нм получить не удалось, т.к. он подвержен «комкованию»;- the introduction into the electrolyte of nanosized particles of an oxidized ruthenium powder with a size of 20-40 nm is optimal, since the pores after MAO, into which the oxidized ruthenium powder is introduced, have a size of 30-45 nm. Ruthenium powder with sizes less than 20 nm could not be obtained, because it is subject to “clumping”;

- после проведения вышеперечисленных процедур обработки детали в автоклаве под избыточным давлением обрабатываемую деталь вынимают и помещают в ванну с электролитом, рекомендуемым для МДО титана и его сплавов с добавлением катодного модификатора (порошка окиси рутения) при избыточном давлении 1-2 атм. для проведения МДО.- after carrying out the above procedures for processing a part in an autoclave under excess pressure, the workpiece is removed and placed in a bath with an electrolyte recommended for titanium and magnesium alloys with the addition of a cathode modifier (ruthenium oxide powder) at an excess pressure of 1-2 atm. for MAO.

Предлагаемый способ опробован на специализированном участке ЦНИИ КМ “Прометей”.The proposed method is tested on a specialized site of the Central Research Institute of CM "Prometheus".

Конкретный пример реализации предложения. На первом этапе изделие из титана ВТ1-0 подвергли МДО на установке, позволяющей вести процесс электролитической обработки в гальваностатическом режиме с тиристорным управлением типа ТПР. Продолжительность процесса 15-100 мин при плотности тока 0,510 А/дм², напряжении до 400 В, в слабощелочном электролите Na₃PO₄-12Н₂О 15 г/л с избыточным давлением 100, 105, 115 и 130 атм. Давление создавали путем подсоединения к магистрали (баллону) с кислородом. По мере выполнения обработки поддерживали давление на заданном уровне значений. Данный вид обработки производили для получения пористого покрытия.A concrete example of the implementation of the proposal. At the first stage, the VT1-0 titanium product was subjected to MAO in a facility that allowed the process of electrolytic treatment in galvanostatic mode with thyristor control of the TPR type. The duration of the process is 15-100 min at a current density of 0.510 A / dm ² , voltage up to 400 V, in a weakly alkaline electrolyte Na ₃ PO ₄ -12Н ₂ О 15 g / l with an overpressure of 100, 105, 115 and 130 atm. The pressure was created by connecting to the line (cylinder) with oxygen. As processing progressed, the pressure was maintained at a predetermined level of values. This type of processing was performed to obtain a porous coating.

На втором этапе в ванну с вышеуказанным электролитом при избыточном давлении 1, 1,5 и 2 атм. ввели катодный модификатор - окисленный порошок рутения с фракцией 20-40 нм, которая соизмерима с порами, полученными на первом этапе обработки, и провели МДО в течение 15-30 мин. Данный вид обработки производили для увеличения коррозионной стойкости, а именно получения плотного покрытия с порами, в которых находился порошок окиси рутения.At the second stage, in a bath with the above electrolyte at an excess pressure of 1, 1.5 and 2 atm. they introduced a cathode modifier — an oxidized ruthenium powder with a fraction of 20–40 nm, which is comparable with the pores obtained in the first stage of treatment, and conducted MAO for 15–30 min. This type of treatment was carried out to increase corrosion resistance, namely, to obtain a dense coating with pores in which ruthenium oxide powder was located.

Результаты испытаний сведены в табл.1.The test results are summarized in table 1.

Ускоренные испытания проводились на общую коррозионную стойкость в растворе 10%-НСl, при температуре 100±2°С по ГОСТ 9.905-82.Accelerated tests were carried out on the general corrosion resistance in a solution of 10% -HCl, at a temperature of 100 ± 2 ° C according to GOST 9.905-82.

Таблица 1.Table 1.     Давление на первом этапе, атмPressure at the first stage, atm         Скорость коррозии в 10%-НСl при 100±2°С, г/(м² ·час)The corrosion rate in 10% -HCl at 100 ± 2 ° C, g / (m ² · hour) ОперацииOperations СпособWay Пористость, %Porosity,% Давление на втором этапе, атмPressure at the second stage, atm Толщина покрытия,
мкмCoating thickness
μm Электро
сопротивле
ние, кОм·смElectro
resistance
cm, cm             1one   100one hundred 1,01,0 1,01,0 12,0-18,012.0-18.0 10,010.0 30,4530.45 22 Предлагае
мыйOffer
my 105105 4,54,5 1,51,5 20,0-25,020.0-25.0 1,11,1 6,846.84 33 115115 8,58.5 2,02.0 27,0-30,027.0-30.0 1,01,0 6,236.23 4four   130130 16,016,0 2,02.0 30,0-35,030.0-35.0 1,01,0 5,875.87   ИзвестныйFamous             -- 2,02.0 1,0-3,01.0-3.0 -- 6,0-8,06.0-8.0 9,59.5 50,4850,48              

Эффективность процесса по сравнению с прототипом выразится в повышении срока службы и надежности деталей и изделий из титана и его сплавов за счет увеличения коррозионной стойкости и снижения электросопротивления путем повышения пористости покрытия и затем легирования поверхности катодным модификатором.The efficiency of the process compared with the prototype will be expressed in increasing the service life and reliability of parts and products of titanium and its alloys by increasing corrosion resistance and lowering electrical resistance by increasing the porosity of the coating and then alloying the surface with a cathode modifier.

Claims (6)

1. Способ нанесения покрытия на титан и его сплавы методом электроискрового легирования в водных растворах при повышенном давлении, включающий микродуговое оксидирование (МДО) в электролите в герметичном сосуде путем создания разности потенциалов между обрабатываемой деталью в качестве анода и корпусом герметичного сосуда в качестве катода с инициированием анодных плазменных разрядов, отличающийся тем, что МДО на первом этапе проводят при избыточном давлении в газовой части объема герметичного сосуда более 105 атм путем введения газов, при этом парциальное давление газов создают с учетом их растворимости в электролите, а на втором этапе в электролит вводят катодный модификатор в виде порошка окиси рутения с размером фракции в наноразмерном диапазоне от 20 до 40 нм, при этом МДО ведут при давлении 1-2 атм.1. The method of coating titanium and its alloys by the method of electrospark alloying in aqueous solutions at elevated pressure, including microarc oxidation (MAO) in an electrolyte in an airtight vessel by creating a potential difference between the workpiece as an anode and the body of a sealed vessel as a cathode with initiation anode plasma discharges, characterized in that the MAO at the first stage is carried out at an overpressure in the gas part of the volume of the sealed vessel of more than 105 atm by introducing gases, in this case, the partial pressure of the gases is created taking into account their solubility in the electrolyte, and at the second stage, a cathodic modifier is introduced into the electrolyte in the form of a ruthenium oxide powder with a fraction size in the nanoscale range from 20 to 40 nm, while the MAO is conducted at a pressure of 1-2 atm. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что МДО на первом и втором этапах проводят в слабощелочном электролите Na₃PO₄·12H₂O при концентрации 15 г/л.2. The method according to claim 1, characterized in that the MAO in the first and second stages is carried out in a slightly alkaline electrolyte Na ₃ PO ₄ · 12H ₂ O at a concentration of 15 g / L. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что МДО на первом и втором этапах проводят при плотности тока 0,510 А/дм² и напряжении 400 В.3. The method according to claim 1, characterized in that the MAO in the first and second stages is carried out at a current density of 0.510 A / dm ² and a voltage of 400 V. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что МДО на первом этапе проводят в течение 15-100 мин.4. The method according to claim 1, characterized in that the MAO at the first stage is carried out for 15-100 minutes 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед МДО на первом этапе вводят нейтральные газы или кислород.5. The method according to claim 1, characterized in that before the MAO in the first stage, neutral gases or oxygen are introduced. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что МДО на втором этапе проводят в течение 15-30 мин. 6. The method according to claim 1, characterized in that the MAO in the second stage is carried out for 15-30 minutes